超声波明渠流量计

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1、毕 业 设 计 书专 业（班 级） 设 计 人 设计指导教师 本科生毕业设计（论文）任务书（由指导教师填写）学 生 姓 名指 导 教 师设计（论文）题目超声波明渠流量计的研究主要研究内容一些工业废水及农业用水采用明渠输送形式，明渠流量计是为了解决这种液体输送方式流量测量的有效方法，具有水头损失较小，适用水质条件较宽的特点。此设计中学生要完成，资料的收集，测量方法的选择，整体方案的确定，硬件电路的设计，软件的编写。研究方法美国Microchip 公司推出的8位PIC系列单片机，采用精简指令集(RISCReduced Instruction Set Computer)、哈佛总线(Harvard)结

2、构、二级流水线取指令方式，具有实用、低价、指令集小、低功耗、高速度、体积小、功能强和简单易学等特点。PIC还提供程序监视器(WDT)和瞬间掉电复位功能，使其具有较强的抗干扰能力，适宜工业现场使用。它体现了单片机发展的一种新趋势，深受用户的欢迎，正在逐渐成为世界单片机的新潮流。本设计中综合应用模拟、数字电路理论、单片机软硬件技术。采用超声波测距传感器与PIC单片机技术相结合的方法。主要研究目标完成资料的收集，整体方案的确定，硬件的设计，软件的编写及毕业设计说明书的编写。主要参考文献1刘和平，黄开长等. PIC16F87X数据手册-28/40脚8位FLASH单片机. 北京：北京航空航天大学出版社，

3、2001.2窦振中，汪立森. PIC系列单片机应用设计与实例. 北京：北京航空航天大学出版社，1999.3王幸之，王蕾，翟成，王闪. 单片机应用系统抗干扰技术. 北京：北京航空航天大学出版社，2000.论文（或说明书）的要求设计说明书包括以下内容：1 前言2 控制方法的选择，整体方案的确定 3 硬件部分的实现（包括各功能单元的选择）4 软件的实现5 结束语图纸的要求对于硬件原理图给出标准图纸工作进度1- 2周：查资料理解题目2- 4周：确定方案5-16周：软硬件设计17-18周：总结，撰写说明书注：任务书的具体内容可依据专业要求进行修正。目录摘要前言第一章 超声波明渠流量计的简介.1.1 流量

4、计的分类.1.2 超声波流量计的原理及类型1.3 明渠1.3.1 渠道量水1.3.2 巴歇尔槽简介第二章 流量计的原理及分析 2.1 明渠水力学的计算.3.1.1明渠的分类3.1.2明渠定常均匀流 2.2 巴歇尔槽测流量的常用计算方法.2.3 超声波在空气中的传播速度的计算.第三章 PIC16F877单片机及其它器件的简介.3.1 PIC16 F877单片机3.1.1PIC单片机的特点3.1.2 PIC16F877单片机3.2 LCD显示器3.3 传感器.第四章 超声波明渠流量计的硬件设计.4.1获取数据部分。.4.2 LCD显示和开关控制部分.4.3电源控制部分4.4整流滤波输出部分.第五章

5、 超声波明渠流量计的软件设计.5.1 PIC单片机的C语言编程介绍5.2 PIC单片机的汇编语言介绍.第六章 结论与展望.附页（一）电路原理图 .附页（二）程序代码 .摘要超声波明渠流量计作为一种非接触式检测仪表，具有非接触、量程宽、线性好等其它流量计没有的优点，在明渠流量计的检测上得到了广泛的应用。本论文在分析了超声波检测明渠流量计的基础上，同时结合当今电子发展的新技术，提出了基于16F877单片机的设计方案，并完成了超声波明渠流量计系统的硬件、软件设计。本论文主要完成了以下工作：对超声波明渠流量计测量原理进行了分析。对超声波明渠流量计主控板的硬件电路进行了设计，完成了电路原理图和电路板的制

6、作。对超声波明渠流量计探头驱动和接收电路进行了设计，完成了电路原理图和电路板的制作。对超声波明渠流量计低功耗，抗干扰性进行了设计，并提出相应的改进方案。完成了16F877单片机C语言控制板的软件设计。本论文提出的基于16F877单片机超声波明渠流量计的设计方案是可行的。系统结构简单紧凑，功耗较低，总体性能较好，符合了当今智能仪器仪表小型化的潮流，为当今开发高性能和商品化的超声波明渠流量计奠定了良好的基础。 关键字：超声波；明渠；流量计；16F877单片机；LCD显示器AbstractUltrasonic open channel flowmeter,a kind of non-contact

7、flowmeter,has been widely used in the measurement of open channel for its better merits of non-contact,wide measurement scope and good linearity.Based on principles of open channel flow measured by ultrasonic and new electronic techniques emerged currently,a scheme using 16F877 is proposed in this p

8、aper.The main achievements are obtained as follow:Theory of ultrasonic open chennel flowmeter is fully analyzed.Hardware circuit of head in ultrasonic open chennel flowmeter is also given.Hardware circuit of head in ultrasonic open channel flowmeter is designed and the realizaton scheme is given.Res

9、earches on how to ultra-lowpower and improve reliability is implemented and the measure is presented in this paper.The software design for 16F877 in C languaage is given.Experiment results indicate that the scheme of software is successful .According with the miniaturzation of intellgent instrument,

10、system lay a good foundatoion in developing the practical,high-performance and commercial ultrasonic flowmeter for its compact structure,low consumption and good performances.Key word : ultrasonic ;open channel; flowmeter ;16F877;LED.前言长期以来，由于没有合适的仪表，对我国的工矿企业的污水排放一直没有得到很好的计量。随着我国乃至全世界对环境保护越来越重视和我国对环

11、境综合治理与保护的步伐不断加快，迫切希望对工矿企业的污水排放加以综合管理和控制。我国的工矿企业污水排放方式大部分是自然流下。也就是说污水在管路内的流动是非满管的。以这种非满管状态流动的水路，即具有自由表面的水路叫做明渠。即使在所谓暗渠的水路里，由于液体是自然流下，故也属于明渠流动。对于这样的水路测量流量时，不能使用常规有压的满管流量计。被测量的污水是含有各种杂质，以及其他有机化学成分，虽然在污水排放前，以作了净化处理，如果使用与污水介质直接接触的流量计，长期使用后，也难免在流量计内产生结垢或被腐蚀，从而影响测量。所以，作为城市污水排放，特别是工矿企业污水排放的计量仪表，必须具有以下特点： 计量

12、仪表必须是非接触式测量的仪表。污水大都含有各种各样的污垢和有腐蚀性的物质，只有非接触式测量才能避免物理和化学的影响，从而保证测量精度的连贯性。 计量仪表必须量程比宽，线性好，价格适中。 计量仪表功耗要低，符合当今仪表小型化的潮流。超声波明渠流量计是具有上述特点的一种非接触式仪表。上海市环保部门也做了大量的调查研究工作，深入到上海市几百家工矿企业进行实地调查。经过论证表明，应用非接触式的超声波明渠流量计适宜于我国工矿企业污水排放的计量。国外公司已经开发出成熟的产品，以美国的伊思柯（ISCO）公司为例，其普通的超声波明渠流量计的价格为71300元，功能齐全（如多通道测量，小型化的仪表）的价格更高，

13、我国目前大部分公司还处于开发研究超声波明渠流量计初期，于是大量的国外产品涌入中国市场，它们以优越的性能、多样的功能占领了我国的大部分市场。国产超声波明渠流量计不仅难以形成与进口产品相抗衡的势头，反而陷入了性能差、成本高、效益低、缺少二次投入开发资金从而差距进一步扩大的恶性循环之中。不少公司不得不放弃原来的产品开发，依靠代理国外产品来弥补经济效益上的缺口。仅有少数起步较早，技术和资本较雄厚的厂商尚能在严峻的竞争中获得一定的市场份额。目前，国内超声波流量计生产厂家主要有上海自动化仪表有限公司、南京康创流量计有限公司、唐山大方汇中有限公司、大连索尼卡电子有限公司、大连长风电子有限公司、开封仪表厂等。

14、国外的著名品牌有日本的富士，美国的宝丽声、伊恩柯，美国的梅克罗尼等。因此，追踪国外的最新科研动态，立足超声波应用技术的前言，应用当今先进实用的电子技术，开发性能高、功耗低、小型化的超声波明渠流量计，以成为适应我国环保产业发展，振兴我国民族仪器仪表行业的有待解决的课题。在超声波明渠流量计中，大都以8位单片机作为微处理器，能满足一般的要求，且价格低廉，经过十多年的推广和发展，其设计和使用方法以为广大技术人员掌握，得到了广泛的应用。但是随着电子技术的飞速发展，出现了16位，32位的高档微处理器，它们计算和能力更强，处理速度更快，功耗更低，代替当前的8位单片机已是必然的趋势。同时，随着复杂可编程逻辑器

15、件（CPLD）和现场可编程门阵列（FPGA）的可编程ASIC器件的发展，不仅满足片上系统设计的要求，而且具有速度快、密度大、系统内可再编程的独特优点，应用以上技术到仪器仪表行业小型化、功耗低的要求，同时可以大大缩短产品的开发研制周期，快速响应市场需求，减少开发成本，提高可靠性，降低设计风险。由此可以看出应用可编程逻辑器件设计电子产品已经成为以后电子产品设计的发展方向。针对以上情况，本文提出了基于16位单片机，应用可编程逻辑器件(CPLD)的设计方案，对系统的软件和硬件进行了详细的设计，并通过试验取得了较为满意的效果，为以后的改进工作奠定了一定的基础。本文主要介绍了一下已经完成的工作： 对超声波

16、明渠流量计的测量原理进行了分析。 提出了超声波明渠流量计的设计方案，并应用16F877超低功耗的单片机为主控制器，以微芯公司的9572XL为外围控制器件，完成了控制板电路原理图和印刷电路板的设计制作。 设计了超声波明渠流量计的探头驱动和接收电路，并完成了电路的原理图及印刷电路板的制作。 用16F877单片机C语言完成了控制板的软件设计。 对超声波明渠流量计仪表怎样降低整体功耗，提高系统的可靠性进行了研究，并提出相应的改进措施。本文提出的基于16F877低功耗单片机的设计是基本成功的，其结构的简单紧凑，功能较低，总体性能较好，符合了当今智能仪器仪表小型化的潮流，同时降低了功耗，为今后开发真正实用

17、、高性能和商品化的超声波明渠流量计奠定了良好的基础。第一章 超声波明渠流量计的简介1.1 流量计的分类作为检测技术的重要组成部分，流量检测技术是检测技术中重要的一个分支，而流量传感器也是工业自动化仪表与装置的大类仪表之一。随着工业的发展以及人类能源与环保意识的增强，流量测量已经从过去单纯以生产过程稳定为目的发展到今天的大规模即中和最佳控制，其应用范围也延伸到医疗、环保、河流测量和农业生产等方面。即统计，在大多数工业系统中，流量这一过程参数占所需检测参数的3050。不同的应用场合给流量计仪表提出了不同的要求，比如：石油天然气工业在贸易输送上要求仪表具有高精度，比环境工程需要测量脏污介质的流量；化

18、工、食品、造纸、炼钢等部门要求能够在恶劣的条件下进行测量等等。可见，从节约能源、成本核算、贸易往来等方面，流量测量已经成为必不可少的手段。针对用户对流量计仪表的不同要求以及测量流量的方式不同，常规的流量计可以有几种：1.差压式流量计；2.电磁流量计；3.涡街流量计；4.质量流量计；5.超声波流量计。超声波明渠流量计也是近几十年发展起来的新型流量计。根据测量原理不同又有很多种类型，如利用传播速度法（如时差法、频差法等）、波束偏位法、多普勒法、听声法、相关法等方法研制出超声流量计。这种流量计的优点很多：可以将检测元件置于管壁外而不与被测流体直接接触，并且不破坏的流场，没有压力损失；仪表的安装、检修

19、均不影响管路系统及设备的正常运行，测量精度几乎不受被测流体的温度、压力、粘度、密度等参数的影响；换能器品种多样，能过满足不同的现场要求，因而在国外得到了广泛的应用。然而其测量电路比一般流量计复杂（这也正是超声波流量计只有在集成电路迅速发展的前期下，才能得到实际应用的原因），而且价格高，当流体中含有过大过多颗粒时，超声波的衰减就增大；另外，数学分析表明，管径越小，测量误差越大，因而他在大管径、大流量场合应用得较多，而且仪表的价格随管径的变化不大，是粗大管道流量测量的理想仪表。在国内，由于认识较晚，还处于防仿制或开发阶段。目前超声波流量计多使用时插法和多普勒法，每一种按其安装方式又分为夹装式（cl

20、amp-on）和插入式（intrsive）两种。1.2 超声波流量计的原理及类型 超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。根据检测的方式，可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。起声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种。 非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。它与水位计联动可进行敞开水流的流量测量。使用超声波流量比不用在流体中安装测量元件故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行因而是一种理想的节能型流

21、量计。 众所周知，目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，这是因为一般流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难，造价提高、能损加大、安装不仅这些缺点，超声波流量计均可避免。因为各类超声波流量计均可管外安装、非接触测流，仪表造价基本上与被测管道口径大小无关，而其它类型的流量计随着口径增加，造价大幅度增加，故口径越大超声波流量计比相同功能其它类型流量计的功能价格比越优越。被认为是较好的大管径流量测量仪表，多普勒法超声波流量计可测双相介质的流量，故可用于下水道及排污水等脏污流的测量。在发电厂中，用便携式超声波流量计测量水轮机进水量、汽轮机循环水量等大管径流量，比过去的皮脱管

22、流速计方便得多。超声被流量汁也可用于气体测量。管径的适用范围从2cm到5m，从几米宽的明渠、暗渠到500m宽的河流都可适用。另外，超声测量仪表的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，又可制成非接触及便携式测量仪表，故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。另外，鉴于非接触测量特点，再配以合理的电子线路，一台仪表可适应多种管径测量和多种流量范围测量。超声波流量计的适应能力也是其它仪表不可比拟的。超声波流量计具有上述一些优点因此它越来越受到重视并且向产品系列化、通用化发展，现已制成不同声道的标准型、高温型、防爆型、湿式型仪表

23、以适应不同介质，不同场合和不同管道条件的流量测量。超声波流量计目前所存在的缺点主要是可测流体的温度范围受超声波换能铝及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制，以及高温下被测流体传声速度的原始数据不全。目前我国只能用于测量200以下的流体。另外，超声波流量计的测量线路比一般流量计复杂。这是因为，一般工业计量中液体的流速常常是每秒几米，而声波在液体中的传播速度约为1500ms左右，被测流体流速(流量)变化带给声速的变化量最大也是103数量级若要求测量流速的准确度为1，则对声速的测量准确度需为10-510-6数量级，因此必须有完善的测量线路才能实现，这也正是超声波流量计只有在集成电路技术迅速发展的

24、前题下才能得到实际应用的原因。 超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。这样就实现了流量的检测和显示。 超声波流量计常用压电换能器。它利用压电材料的压电效应，采用适出的发射电路把电能加到发射换能器的压电元件上，使其产生超声波振劝。超声波以某一角度射入流体中传播，然后由接收换能器接收，并经压电元件变为电能，以便检测。发射换能器利用压电元件的逆压电效应，而接收换能器则是利用压电效应。超声波流量计换能器的压电元件

25、常做成圆形薄片，沿厚度振动。薄片直径超过厚度的10倍，以保证振动的方向性。压电元件材料多采用锆钛酸铅。为固定压电元件，使超声波以合适的角度射入到流体中，需把元件故人声楔中，构成换能器整体(又称探头)。声楔的材料不仅要求强度高、耐老化，而且要求超声波经声楔后能量损失小即透射系数接近1。常用的声楔材料是有机玻璃，因为它透明，可以观察到声楔中压电元件的组装情况。另外，某些橡胶、塑料及胶木也可作声楔材料。超声波流量计的电子线路包括发射、接收、信号处理和显示电路。测得的瞬时流量和累积流量值用数字量或模拟量显示。 根据对信号检测的原理，目前超声波流量计大致可分传播速度差法(包括：直接时差法、时差法、相位差

26、法、频差法)波束偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波法及噪声法等类型，如图所示。其中以噪声法原理及结构最简单，便于测量和携带，价格便宜但准确度较低，适于在流量测量准确度要求不高的场合使用。由于直接时差法、时差法、频差法和相位差法的基本原理都是通过测量超声波脉冲顺流和逆流传报时速度之差来反映流体的流速的，故又统称为传播速度差法。其中频差法和时差法克服了声速随流体温度变化带来的误差，准确度较高，所以被广泛采用。按照换能器的配置方法不同，传播速度差拨又分为：Z法(透过法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等。波束偏移法是利用超声波束在流体中的传播方向随流体流速变化而产生偏移来反映流体流速的，低流速时，灵

27、敏度很低适用性不大多普勒法是利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量的，适用于含悬浮颗粒、气泡等流体流量测量。相关法是利用相关技术测量流量，原理上，此法的测量准确度与流体中的声速无关，因而与流体温度，浓度等无关，因而测量准确度高，适用范围广。但相关器价格贵，线路比较复杂。在微处理机普及应用后，这个缺点可以克服。噪声法(听音法)是利用管道内流体流动时产生的噪声与流体的流速有关的原理，通过检测噪声表示流速或流量值。其方法简单，设备价格便宜，但准确度低。以上几种方法各有特点，应根据被测流体性质流速分布情况、管路安装地点以及对测量准确度的要求等因素进行选择。一

28、般说来由于工业生产中工质的温度常不能保持恒定，故多采用频差法及时差法。只有在管径很大时才采用直接时差法。对换能器安装方法的选择原则一般是：当流体沿管轴平行流动时，选用Z法；当流动方向与管铀不平行或管路安装地点使换能器安装间隔受到限制时，采用V法或X法。当流场分布不均匀而表前直管段又较短时，也可采用多声道(例如双声道或四声道)来克服流速扰动带来的流量测量误差。多普勒法适于测量两相流，可避免常规仪表由悬浮粒或气泡造成的堵塞、磨损、附着而不能运行的弊病，因而得以迅速发展。随着工业的发展及节能工作的开展，煤油混合(COM)、煤水泥合(CWM)燃料的输送和应用以及燃料油加水助燃等节能方法的发展，都为多普

29、勒超声波流量计应用开辟广阔前景。13 明渠1.3.1 渠道量水超声波明渠流量计是应用超声波来测量明渠流量的。明渠是一种人工修剪或天然形成的渠道，明渠流是指流体在地心引力的作用下沿明渠形成的重力流动，其特点是明渠具有自由表面，自由表面上各点均为大气压强，相对压强为零。因此，明渠流又称为无压流或重力流。测量明渠的流量必须使用专用渠道量（如槽、堰等）。用这些渠道（如槽、堰等）测量流量都称为渠道量水。渠道量水按量水的建筑物的水力特点和结构形式的不同，渠道量水设施一般可分为量水堰、量水槽、量水器和复合断面量水堰四大类： 量水槽：国内通用的量水槽又举行的巴歇尔槽、无喉段量水槽、水跃式水槽和抛物线型水槽；国

30、外有梯形量水槽和U型断面量水槽等。 特种量水装量：主要有量水喷嘴、套管、分流计和配水装置等。 复合断面量水堰：有三角剖面堰和平坦V形堰等。利用渠系建筑物量水较为经济、简便，如有可能应优先考虑利用，缺点是需对不同种类的水工建筑物逐个进行确定，工作量大。本文介绍的超声波明渠流量计就是用巴歇尔槽测量的明渠流量。1.3.2 巴歇尔槽的简介一、 简介 巴歇尔槽（Parshall flume）的原型是文丘利水槽，后者的实验是V.M.Cone于1915年在美国的科罗拉多州开始进行的。1922年R.L.Parshall对此进行了根本性的变革，制作了现在通用的巴歇尔槽。以后又多次重复了水力学实验，制成了尺寸为1

31、英寸到50英寸的各种量水槽。巴歇尔的名字是1929年美国土木学会命名的。此后，英国、瑞士、意大利、印度、阿根廷等许多国家也提出了各种类型的文丘利水槽的设计方案并进行了实验，但巴歇尔槽仍是文丘利水槽中最普及的水槽。总的来说，巴歇尔槽形状复杂，比堰的价格高，而且为了提高精确度要求量水槽的各部分尺寸精确，这是其缺点。但也有这样一些其它测量装置无法比拟的优点：水位损失小（约为堰的四分之一）、水中即使有固定物质也几乎不沉淀、接近流速的影响小、对下流侧的水位影响比较小等，所以被用来测量农业用水、工业用水等其它液体的流量。二、 构造 巴歇尔量水槽上游收缩段、短直喉道和下游扩散段三部分组成。收缩段的槽底向下游

32、倾斜，扩散段槽底的倾斜方向与喉道槽底相反，其结构如图下图所示。图11 巴歇尔槽结构示意图在量水槽中，A、B、C、D的之随后口宽度W而改变，其关系为：A=0.51W+1.22B=0.5W+1.20C=W+0.30D=1.2W+0.48其它常数项需要实验确定，一般情况下，F60cm、G=90cm;K=8cm、N=23cm、x=5cm、y=8cm；E根据渠道深度而定，高出上游水位0.10.2cm,一般可采用1.00米。量水槽上下游护底长都为槽底高H的函数：上游护底L1=4H ;下游护底L2（68）H;同时，由于量水槽内流速越大，喉道中水面的波动也很大，直接在槽中测定水位有困难。因此，在槽壁设置后观测

33、井，安量测水尺。井底比槽槛要低2025cm,测井与量水槽可用平置的金属管或混凝土管连接，管子的中心线应高出3cm，上游水尺位于喉道上游距喉道首端（23）A处，下游水尺位于喉道末端以上5 cm的槽壁处，详细尺寸见图11。上下游水尺零点与槽底高要平齐，观测井要无漏水现象，井中经常清理泥沙，井上加盖，避免杂物入内。 第二章 流量计的原理及分析2.1 明渠水力学的计算2.1.1 明渠的分类明渠过水面的形状、尺寸与底坡等随液体流动有重要的影响。在水力学中，根据不同的划分标准，常把明渠分为以下几种类型： 柱形渠道与非棱形渠道凡是断面行状尺寸均沿不变的的称为棱形渠道。棱柱形渠道的过水面面积的大小只随水深变化

34、。轴线顺直、端面规则的人工渠道、洞及函均属棱柱形渠道。非棱形渠道的过水断面面积水深变化，又因位置的不同而不同。断面不规则，主流弯曲多变的天然河道既是非棱形渠道。 顺坡、平坡和逆斜坡渠道明渠坡底高差（ZZ）与相应渠道长度L的比值，称为渠道底坡，用符号来表示：（ZZ）L （21）当渠底高程沿程降低时，称为顺坡渠道，此时；当渠底高程沿程不变时，称为平坡渠道，此时；当渠底沿程升高时，称为逆坡渠道，此时。至于天然河道，由于河底凹凸不平，它的河底坡度可取一定的平均坡度长度计算。2.1.2 明渠定常均匀流一、 特征明渠流是在重心作用下形成的液体流动，而渠道边壁对液体的摩擦力则阻碍液体流动。根据静力平衡原理，

35、当重力在液体流动方向的分力液体流动的推力，与阻碍液体流动的摩擦力相平衡时，则液体等速运动成为均匀流的定义，其水力坡度I、水面坡度（即压力坡度）及渠底坡度均相等，即 （22）综合所述，明渠定常均匀流的特征可总结如下：流量恒定不变，即Q常数；过流断面面积、水深及平均流程沿流程均不变；渠道为长而值得棱型顺坡渠道，渠底坡度故定不变，且等于水力坡度；渠道粗糙度不变，即沿程粗糙系数为常数。严格的说，工程实际中的渠道并不都符合上述条件，但是对于比较规则的及上述诸因素变化的明渠流，可以按定常均匀流来考虑。二、 水力计算明渠定常均匀流是明渠流运动中最简单的形式，也是分析其他明渠运动的基础。根据前面所说的重力分力

36、与阻力的静力平衡分析，可以得到明渠定常均匀流平均流速的基本公式： （23）式中平均流速，单位重力加速度；水力坡度；R水力半径，单位谢蔡系数，单位上式就是蔡西公式。应用此公式就可以很容易得到明渠均匀流流量计计算公式：Q （24）式中K特性流量，为底坡时的流量，单位为；断面面积，单位为。蔡西公式中的系数，其值不但随渠道的粗糙度而变化，而且同时与水力半径、渠底坡度及断面形式的有关，并非常数。在利用蔡西公式计算明渠定常均匀流的平均流速时，需要先确定值。不同的人根据不同的条件得到的计算值的经验公式有十多种，以下为常用的几种计算公式。 岗古立公式（）（） （25）式中为粗糙系数。是对某些给定的明渠进行测量

37、观测、积累所得的经验数据，其大小反映了渠道边壁对液流的阻力作用。常用的粗糙系数可以查阅有关的资料。上式简化为：（） （26）岗古立公式使用与渠底坡度较小的明渠。 曼宁公式（27） 式中参数是与上式参数意义相同。代入蔡西公式 （28） 曼宁公式适用于002及R05且渠底坡度较陡的明渠。 巴弗洛夫斯基公式（29） 该式适用于013的明渠。式中值计算较繁，具体值可以查阅有关的资料得到的经验值。 奥格罗斯金公式1772lgR （210）上述的每一个公式，在其适用范围之内都有一定的符合技术要求的精确度，超出这个范围就会有相当的误差三、 明渠定常均匀流水力计算中的几个问题 粗糙率粗糙率是反映渠道边界和水流

38、对阻力影响的综合参数，影响值的因素很多，确定值主要依靠经验的积累和实验。实际计算中，正确选择值进行可靠的设计计算十分重要。对重要的工程除参考前人的总结的资料，最好能采用式测资料。当边界各部分粗糙不同时，采用综合粗糙率进行计算。 水力最佳断面水力最佳断面是当过水面积一定，渠道能通过最大流量的断面；或者说流量一定，所需过水面积最小的断面。明渠的输水能力取决于渠道坡底、渠道的粗糙系数及渠道断面的形状和尺寸。底坡一般由地形条件决定，粗糙系数取决于渠道表面的性质。在底坡与粗糙系数已定的前提下，明渠的输水能力就与断面形状与尺寸有关，当过水断面一定时，通过流量最大的那种中断面就是水力最佳断面。在、A一定时，

39、最大流量发生在水力半径R最大的时候，而R，欲使R最大，必须使湿周最小，因此水力最佳断面的条件为A常量；最小几何学已经证明：在面积相等而形状不同的几何图形中，周长最小的是圆形。故圆形断面过水能力强，在工程的管道多做成圆形。但是对于在土中开挖渠道来说，半圆形断面施工很困难，所以一般的渠道多做成梯形的。梯形明渠满足水力最佳断面的条件是，渠道最佳宽度计算公式：*(-m) （211）式中为边坡系数。在实际工程中，对于流量较大的渠道，按水力最佳断面设计得到的窄深式渠道，虽然其水力学条件是最好，但不易施工，不经济。实际工程中采用经济断面，即适当增大过水断面面积，使渠道边为宽浅，建设费用最少。具体设计方法可参

40、考有关资料。 允许流速允许流速是为了保持渠道安全运行在流速上的限制，包括不冲流速、不淤流速和其它运行管理要求的流速限制。在实际明渠均匀流计算中必须结合工程要求进行校核。22 巴谢尔曹测量流量的常用计算方法巴谢尔槽作为明渠的一种，其计算流量的方法是在明渠定常均匀流的基础上的特例，根据明渠定常流量水力最佳断面的判断，巴歇尔槽的流量计算应该集中在其喉部。在实际计算中。所谓自由流（free flow）是流量不受下流侧水位的影响的流动；而下流侧水位影响的流动叫做淹没流(submarge flow)。分别论述如下：自由流流量计算时（HH H/ H0.7）先计算出流量改正值Q即：（214）表21巴歇尔槽流量

41、公式的K和N的取值表 再由公式计算出212计算出自由流时的流量，即可按式34计算出淹没流时的流量：QQQ （315） ;K= H/ H（216）其中Q为淹没流时的流量计，K为为淹没度。实际当中我们计算超声波明渠流量计的流量是大都不考虑淹没流时的情况，也就是认为明渠的流动是自由流，此时一般用公式213来计算。33 超声波在空气中传播速度的计算由于超声波明渠流量计的超声波的传播是在空气中，而空气的温度对超声波的传播速度是有一定影响的，为了提高测量的精度，需要对空气的温度进行测量。在理想空气中声波的传播速度为 v= (2-17)式中C/C称为比热比，及气体定压比热容淤定容比热容的比值； 气体的摩尔质

42、量； T绝对温度； R8.31444J*mol*K为普适和气体常数。 可见，声速与温度、比热比和摩尔质量有关，而后两个因素与气体成分有关。因此，声速都是在一定温度下的声速。在正常情况下，氮；氧；氩；二氧化碳在干燥空气成分中的相对量（按重量比）78.084;20.946;0.934;0.033,空气的平均摩尔质量为28.964kg/mol。在标准状态下，干燥空气中的声速为v=331.5m/s。在室温为tC时，干燥空气的声速为 v= v (2-18)由于空气实际上并不是干燥的，总含有一些水蒸气，经过对空气摩尔质量和比热比的修正，在温度为tC、相对湿度为r的空气中，声速为v=331.5 (2-19)

43、 式中T273.15K绝对温度；P为tC时空气的饱和蒸气压，可从饱和蒸气压与温度的关系表中查出；P为大气压，取P1.013*105Pa即可；由这些气体参数可以计算出声速，但是我们在大多数实际的工程测量中没有必要这么精确的声速测量的，应用（220）就可以了。应用（220）可以得到下表声速在某一特定温度下的值。 （220） 表22温度与声速的关系 在实际应用是不用（219）的，大都采用线性插值的方法来计算。这样再编程的时候可以减少计算的时间，避免过多的增加CPU的负担，同时提高了流量计的反映能力。应用线性插值的方法我们可以得到如下的四个分段插值公式：当30t-10时；V313+06*(t+30)

44、(2-21)当10t-0时， V=325-0.2*(t+10) (2-22)当0t10时；V=338+0.5*(t-10) (2-23)当10t50时；V3380.5(t10) (2-24)上面四个公式中的t-空气的温度，oC , V-声速，m/s。以上四个公式，通过近似的线性插值得到的，在实际的编程应用这四个分段就可以近似得到某一空气温度对应声速。由于超声明渠流量计的测量范围都在（30oC,50oC）.第三章 PIC16F877单片机及其它器件的简介3.1 PIC16F877单片机的简介3.1.1 PIC单片机的特点微控制器（Microcontroller）的日益广泛，各个不同的公司推出了各

45、自的产品。目前国内各大学本专科以及电视大学普遍采用M CS- 51 系列作为单片机教学中的主教材, 但是近年来M CS- 51 系列单片机的市场和应用领域已经逐渐被其他单片机所取代。笔者在基层电大工作十七年来, 经常留心观察计算机领域的新动向, 一直在搜寻符合认知、教育规律和容易激发学习兴趣、很快上手的品种。美国M icrochip 技术公司的 P IC 系列微控制器就是很有特色的一种。它采用精简指令集计算机 R ISC (Reduced Instruction Setcomputer)、哈佛(H arvard) 双总线、两极指令流水线结构。其抗干扰能力强, 性能价格比高, 深受广大客户的普遍

46、欢迎。笔者开始接触这种单片机后, 深感相见恨晚, 有种很强的亲切感。其易学易用、立即上手给人很深印象, 在此浅析其特点及使用时注意事项。（1） 先进的类精简指令集计算机结构。PIC单片机采用了类RISC结构。设计结构采用了小型机结构。指令系统中的指令都是单字节的宽字位指令, 三个档次的指令位数分别为 12、14 和 16 位, 并且分别只有33、35、和 58 条指令, 指令向上兼容。这给使用者带来 极大的好处, 而一般C ISC ( Complex Instruction SetComputer) 结构的单片机有 50 到 110 条多字节多周期指令。例如 Intel 公司的M CS- 51

47、 单片机有 111 条指令,M otorola 公司的M C68HC05 单片机有 111 条指令。这就意味着在相同情况下, P IC 单片机所需要的编码比一般单片机少一半。（2） 哈佛（Harvard）双总线结构。PIC不像Moto ro la 公司 的 M C68HC05 , 也 不 象 Intel 公 司 的CS51, 它不仅采用了哈佛体系结构, 还采用了哈佛 离, 并且采用不同宽度, 以便实现指令提取的“流水作业”实现全部指令的单字节、绝大部分单周期化。而一般的单片机指令和数据总线是共用的。（3） 两极指令流水线结构，指令单字节化。P IC 的取指和执行采用指令流水线结构, 当一条指令

48、被执行时允许下一条指令同时被取出。而大部分单片机取指和指令执行都是顺序进行的。P IC 单片机不仅全部指令为单字节, 且绝大部分为单周期指令。（4） 寻址方式简单，寻址空间设计简单。PIC只有4 种寻址方式，很容易掌握，而MCS51有7 种寻址方式, 68HC05 有6 种寻址方式, 其优势相当明显。P IC 单片机的程序、堆栈、数据三者各自采用相互独立的寻址(或地址编码) 空间, 程序、堆栈的地址安排不需要用户操心。而M CS251 和68HCP05IC的寻址空间只有一个, 编程时需要用户对程序区、堆栈区和 I O 端口所占用的地址空间作精心安排, 耗时耗力。（5） 代码压缩率高。同样 1K

49、B 的存储器空间,MCS51可以存放月600条指令，而对于 P IC 系列单片机则可以存放 1024 条指令, 在常见的单片机中,P IC 是最节约程序存储空间的。完成相同功能的一段程序, P IC 大约是其他单片机所占程序存储空间的一半。（6） 运行速度高。由总线结构和指令读取和执行的流水作业方式, 使 P IC 单片机的运行速度远远高于其他同档次的单片机, P IC17CXX 是 8 位机中速度最快的品种之一。（7） 功耗低, 驱动能力强。PIC采用全静态CMOS设计, 功率消耗极低, 是单片机中最低的品种之一, 但非常可靠。片内有上电复位（POP-Power On Reset） 电路、监

50、视定时器电路、RC 振荡器电路选择等, 不需要增加外围电路, 降低了系统成本和功耗。它具有很宽的性能范围及低工作电流(3V , 32KHZ 时 15uA )、极小的待命状态电流(休眠方式 3V 下小于 1uA )。用于长寿命电池供电的系统效果十分理想。其 I O 口驱动负载能力教强, 各 I O 口引脚吸入和输出电流分别达到 25mA 和20mA , 足够驱动发光二极管LED、光电偶合器、微型继电器。（8） 功能强大的 I O 端口。其输入输出功能很强,芯片可在一个指令周期内(200ns) 对任何寄存器中的任何一位完成位置 1、置 0、位检测功能。其与外部电路和接口效率非常高, 可作为高速 I

51、 O 控制器。I O 口有多种功能, 由软件控制每 2 个 I O 引脚对输入和输出分别分时多路复用。（9） I2 C 和 SP I 串口总线端口。以上两种串行总线技术, 是在芯片之间实现同步串行数据传输。利用单片机串行总线端口可以扩展一些外围器件, P IC 单片机的一些型号具备了 I2C 和 SP I串口总线端口。（10） 中 断 特 性。PIC16CXX、P IC16F87X 和P IC17CXX 有中断功能。可以选用多个不同数目的内部和外部中断源。中断控制可以进行全局控制和分别控制。外围接口的中断优先级用软件控制。还可以用不同的中断源激活处理器从休眠中苏醒。（11） 一 次 性 编 程

52、 技 术 O TP (One TimeP rogram )。P IC uM 的独特之处在于兼有 R ISC 处理器的高性能和一次性编程技术的低价格优点。低价格O TP 芯片与掩模 ROM 芯片接近, 其优势在于小批量生产试制和生产的灵活性, 所以它具有很强的市场竞争力。从用户来看有以下几点: 快速进入市场, 方便修改代码, 对最终用户提供最佳的解决方案, 减少生产厂家剩余积压, 减少生产厂家库存周转量。（12） 开发方便。一般单片机的学习和应用, 最大的 障 碍 是 实 验 开 发 设 备 昂 贵, 令 人 望 而 却 步。M icrochip 为此开发了各种档次的硬件仿真器和程序烧写器、多种

53、版本的软件仿真器和软件综合开发环境(MPLBE-DE)。为实际操练提供了极大的方便 。 除以上几点外, 还有C 语言编译器、品种丰富、程序存储器版本齐全以及外接电路简洁、程序保密性强等特点。 3.1.2 PIC16F877单片机PIC16F87X系列微控器是一种具有FLASH程序存储器的8为CMOS单片机，品种有28引脚的PIC16F876（A）873（A）。这个系列单片机采用CMOS技术和静态设计技术，实现了低功耗和宽工作电压范围，封装有PDIP、SOIC、SSOP、PLCC和QFP等多种形式,可以满足不同的应用要求,属于PIC单片机系列的中级产品。PIC16F87X系列微控器采用靠性能的哈

54、佛结构CPU和RISC指令集。哈佛结构中程序存储和数据存储安排在不同存储区，CPU通过不同总线访问，这样提高了CPU的工作速度和效率，比传统的程序与数据公用存储体和总线的冯.诺伊曼结构改善了带宽。这种结构带来了两个优点：其一是CPU可以同时访问程序存储区和数据存储区；其二是程序存储区和数据存储区可以采用不同字节宽度的总线。正是第二点使PIC系列单片机能够采用RISC结构，提高CPU的访问速度。这个系列的微控制器指令采用14位字宽，使所有的指令操作码都为单字指令，即可以在单周期内通过14位程序存储器访问总线取出14位指令。另外还有两级流水线结构可以重叠取指和指令执行，加快了指令执行速度。程序的运

55、行除程序分支（跳转）需要两周期的指令外，其它指令均为单周期指令，指令集一共包含35条单字节指令。PIC16F877的IO端口为A、B、C、D和E，具有14个中断源、三个定时器、两个CCP（捕捉器比较器PWM）模块、一个看门狗电路、一个并行从属端口PSP，即成了8通道AD转换器。PIC16F87X系列既有SPI和I2C主串行通信端口，又有USART异步串行通信端口。3.2 LCD显示器液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。而美国Microchip公司生产的PIC系列单片机系用精简指令集（RISC），哈佛总线结构、2级流

56、水线取指令方式，具有实用、低价、指令集小、简单易学、低功耗、高速度、体积小、功能强而逐渐成为8位单片机的新潮流。一、 液晶驱动IC基本特性1、具有低功耗、供应电压范围宽等特点。2、具有16common和61segment输出，并可外接驱动IC扩展驱动。3、具有2560位显示RAM（DD RAM），即8084位 4、具有与68系列或80系列相适配的MPU接口功能，并有专用的指令集，可完成文本显示或图形显示的功能设置二、模块基本特性视域尺寸：54.818.3mm（12232/1），60.518.0mm显示类型：白底黑字LCD显示角度：6点钟直观驱动方式：1/32 duty，1/6 bias连接方式

57、：导电胶条，铁框 补充说明：模块外观尺寸可根据用户的要求进行适度调整。三、工作参数1、逻辑工作电压（VDD-VSS）：2.46.0V2、LCD驱动电压(Vdd-Vlcd)：3.013.5V3、工作温度(Ta)：055（常温) / -2060（宽温）4、保存温度(Tstg)：-55125四、电气特性(测试条件 Ta=25,Vdd=5.00.25V) 1、输入高电平(Vih)：3.5Vmin 2、输入低电平(Vil)：0.55Vmax 3、输出高电平(Voh)：3.75Vmin 4、输出低电平(Vol)：1.0Vmax 5、工作电流：2.0mAmax五、接口说明PCB板引脚号12232/1（小板）

58、12232/2（大板,外振）12232/3（大板,内振）12232/4（大板,内振）1VDDVSSVSS同12232/3引脚2GNDVDDVDD3VLCDVEEV04RETA0A05E1CS1NC6E2CS2NC7R/WCL(外振时钟)E18A0/RDE29D0/WRR/W10D1D0D011D2D1D112D3D2D213D4D3D314D5D4D415D6D5D516D7D6D617NCD7D718NCRESRES19背光背光20背光背光管脚说明:l VDD：逻辑电源正l GND(VSS)： 逻辑电源地l VLCD(VEE,V0)：LCD驱动电源l RET：复位端,对于68系列MPU:上升沿(L-H)复位，且复位后电平须保持为高电平（H）； 对于80系列MPU:下降沿(H-L)复位，且复位